Kvanttitietokoneet ja kvanttilaskennan perusteet

Abstract

Kvanttimekaniikka on kummastuttanut fyysikoita jo vuosisadan ajan. Silti kiinnostus sen tutkimiseen ei ole laantunut. Nykypäivänä kvanttimekaanisiin ilmiöihin perustuvia kvanttitietokoneita on kehitteillä ympäri maailman, vaikka niiden rakentaminen onkin osoittautunut erittäin haastavaksi. Kvantti-ilmiöt ovat äärimmäisen herkkiä ulkoisille häiriöille, minkä takia ne vaativat erityiset olosuhteet, jotta laskentaa voidaan ylipäätään suorittaa. Tässä työssä perehdytään siihen, miksi halutaan rakentaa jotain niin vaikeaa ja monimutkaista.

Kvanttilaskenta perustuu moderniin tietojenkäsittelytieteeseen, joka syntyi 1900-luvun alkupuolella, kun laskentaprosesseja alettiin mallintaa matemaattisesti. Laskentatehtävää suoritettaessa on aluksi selvitettävä tehtävän laskettavuus, mikä niihin aikoihin aiheutti päänvaivaa matemaatikoille. Vuonna 1936 Alan Turing kehitteli laskettavuuden ongelmaan Turingin koneen, joka on teoreettinen tietokoneen malli. Turingin kone oli suunniteltu simuloimaan tiettyä algoritmia. Turingin koneesta kehittyi aikojen saatossa erilaisia versioita, joilla pystyttiin ratkaisemaan yhä monimutkaisempia laskentatehtäviä. Myöhemmin 1980-luvulla fyysikoiden työn tuloksena syntyi kvanttimekaanisia systeemejä simuloiva malli, joka nykyään tunnetaan kvanttitietokoneena.

Kvanttilaskennan luonne poikkeaa perustavanlaatuisesti klassisesta tietojenkäsittelystä. Niiden välillä on kuitenkin tietty analogia, jota tässä työssä havainnollistetaan. Kvanttimekaaniset systeemit, kubitit, toimivat informaation yksikköinä kvanttipiireissä aivan kuten bitit digitaalisissa piireissä. Kubitilla on kvanttimekaanisen luonteensa vuoksi erikoisia ominaispiirteitä, jotka erottavat sen tavallisesta bitistä ja tarjoavat mahdollisuuksia monimutkaisempaan tiedonkäsittelyyn. Kvanttitietokoneet suorittavat kvanttialgoritmeja. Tärkein niistä on Peter Shorin vuonna 1994 julkaisema algoritmi, jonka avulla suuriakin kokonaislukuja voidaan jakaa tekijöihin lyhyessä ajassa.

Kvanttitietokoneiden fyysiselle toteutukselle on erilaisia vaihtoehtoja. Työssä tutustutaan yhteen niistä, joka on suprajohtava kvanttitietokone. Suprajohtavaa toteutusta tarkastellaan kvanttitietokoneelle annettujen kriteerien valossa: mitkä niistä toteutuvat ja millaisia ongelmia on ratkaistava, jotta kvanttitietokone täyttäisi loputkin niistä. Kvanttiteknologia on uusi tutkimusala, johon investoidaan valtavasti. Kvanttimaailman ihmeet ja niiden mahdollisuudet käytännön sovelluksissa ovat kiehtovia, ja teknisiin ongelmiin haetaan kuumeisesti ratkaisuja. Kvanttitietokone on todiste siitä, kuinka häviävän pienistä, omituisesti käyttäytyvistä kvanteista voidaan rakentaa suuri kompleksinen kokonaisuus, jolla on mahdollista laskea vaikeitakin ongelmia äärimmäisen nopeasti.